Phản ứng phân hủy hydrazine (N2H4) là một quá trình hóa học quan trọng, có nhiều ứng dụng thực tế, đặc biệt trong lĩnh vực động cơ tên lửa. Bài viết này sẽ đi sâu vào cơ chế phản ứng, tính toán biến thiên enthalpy và giải thích lý do hydrazine được sử dụng rộng rãi.
Phản ứng phân hủy hydrazine diễn ra theo phương trình sau:
N2H4(g) → N2(g) + 2H2(g)
Tính Biến Thiên Enthalpy của Phản Ứng Phân Hủy Hydrazine
Biến thiên enthalpy (ΔrH298o) của phản ứng có thể được tính toán dựa trên năng lượng liên kết (Eb) của các chất tham gia và sản phẩm.
a) Phương pháp tính theo năng lượng liên kết:
Công thức cấu tạo của hydrazine là H2N-NH2. Như vậy, một phân tử hydrazine bao gồm 1 liên kết N-N và 4 liên kết N-H. Sản phẩm gồm 1 liên kết ba N≡N trong phân tử N2 và 1 liên kết đơn H-H trong phân tử H2.
Áp dụng công thức:
ΔrH298o = ΣEb(liên kết bị phá vỡ) – ΣEb(liên kết hình thành)
Trong đó:
- Eb(N-N) = 160 kJ/mol
- Eb(N-H) = 391 kJ/mol
- Eb(N≡N) = 945 kJ/mol
- Eb(H-H) = 432 kJ/mol
Thay số vào, ta được:
ΔrH298o = [Eb(N-N) + 4.Eb(N-H)] – [Eb(N≡N) + 2.Eb(H-H)]
= (160 + 4 391) – (945 + 2 432)
= 1724 – 1809
= -85 kJ/mol
Như vậy, phản ứng phân hủy hydrazine là một phản ứng tỏa nhiệt.
Alt text: Công thức cấu tạo phân tử Hydrazine (N2H4) minh họa chi tiết các liên kết đơn N-N và N-H, giúp hình dung cấu trúc và tính toán năng lượng liên kết trong phản ứng phân hủy.
Ứng Dụng Của Hydrazine Trong Động Cơ Tên Lửa
Hydrazine (N2H4) được sử dụng rộng rãi làm nhiên liệu trong động cơ tên lửa vì những lý do sau:
b) Lý do sử dụng hydrazine làm nhiên liệu:
-
Trạng thái lỏng: Hydrazine là chất lỏng ở điều kiện thường, giúp dễ dàng lưu trữ và vận chuyển. So với các chất khí, hydrazine lỏng không đòi hỏi áp suất cao, giảm nguy cơ cháy nổ và đơn giản hóa thiết kế bình chứa.
-
Khối lượng riêng: Hydrazine có khối lượng riêng tương đối nhỏ (1,021 g/cm3), giúp giảm trọng lượng tổng thể của tên lửa, từ đó tăng hiệu suất và tầm bay.
-
Tính tỏa nhiệt: Phản ứng phân hủy hydrazine tỏa nhiệt (ΔrH298o = -85 kJ/mol), cung cấp năng lượng lớn cho động cơ.
-
Sinh ra khí: Khi phân hủy, hydrazine tạo ra một lượng lớn khí (N2 và H2). Sự giãn nở nhanh chóng của các khí này tạo ra lực đẩy mạnh mẽ, đẩy tên lửa về phía trước. Một mol hydrazine lỏng tạo ra ba mol khí, tạo ra sự tăng thể tích đáng kể và lực đẩy lớn.
Alt text: Sơ đồ trực quan về phản ứng phân hủy Hydrazine (N2H4) thành khí Nitơ (N2) và Hydro (H2), thể hiện rõ sự gia tăng thể tích khí, yếu tố quan trọng tạo lực đẩy trong động cơ tên lửa.
Tóm lại, hydrazine là một nhiên liệu hiệu quả cho động cơ tên lửa nhờ vào các đặc tính vật lý và hóa học ưu việt của nó. Phản ứng phân hủy tỏa nhiệt, tạo ra lượng khí lớn và dễ dàng bảo quản là những yếu tố then chốt khiến hydrazine trở thành lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp vũ trụ.
